Bizarre flüssige stabiler als solide Kristall

Cool alles weit genug herunter, und es wird ein Kristall solid, laut Theorien der klassischen Physik. Aber das vielleicht nicht immer so sein, und zwei Wissenschaftler denken, dass sie Fälle gefunden haben, wo ein liquidlike Staat stabiler als die festen Kristall in einer Umkehrung der Norm ist.

Für das Experiment detailliert gestern (4. August)-Ausgabe der Zeitschrift Nature Physics, Forschung-Duo verwendet eine Computersimulation um eine Liquid-that-is-not-a-liquid zu erstellen. Obwohl das Experiment mit virtuelle statt reale Moleküle fertig war, sagten freuen Sie sich auf einen wichtigen Einblick in wie Kristalle hergestellt werden, die Forscher.

Dieses Wissen kann wiederum, Wissenschaftler sagen, weitere Informationen zum verhindern, dass Stoffe kristallisieren wenn benötigt, oder halten sie amorphe. [Verdreht Physik: 7 mind-blowing Ergebnisse]

Kühlung der Kolloide

Um diese bizarre Flüssigkeit bekommen, starteten die Forscher mit einem Kolloid oder eine Flüssigkeit mit winzigen Schwebeteilchen in es. Ein klassisches Beispiel ist die Milch, die hauptsächlich aus Wasser, sondern sieht weiß, weil alle Bits von Fett und Eiweiß im Wasser. Freeze Milch, obwohl, und Sie erhalten kristallisiertes Wasser-Eis – während das weiße Zeug trennt und verfestigt sich, wenn es kalt genug ist.

"Ein Kolloid Partikel klein genug, dass thermischer Energie wichtig ist", sagte Hauptautor der neuen Studie, Frank Smallenburg, ein Physiker an der Universität La Sapienza in Rom.

Aber wenn die Moleküle des Kolloids in genau richtig miteinander verbinden, die vertraute Kristallisation nicht passieren. Stattdessen verwandelt sich das Kolloid in eine stabile Form, die scheint solide, aber die molekulare Struktur der Flüssigkeit.

Smallenburgsimulated ein Kolloid auf einem Computer und steckte in den Gleichungen beschreiben, wie er sich verhält wie die Temperatur sinkt. Mit einem Computermodell von Molekülen mit vier Anleihen, sah er, dass wenn diese Anleihen steif waren, Kristallisation schnell passiert. Wenn sie flexibel waren, jedoch die Anleihen waren ungeordnet und klumpige Agglomerationen gemacht. Weiter abgekühlt, wurden sie wie Glas-ungeordneten Moleküle, die nicht fließen, sondern bilden eine Art amorphe Festkörper.

"Wenn wir die Anleihen flexibler zu gestalten, die flüssige Phase stabil auch bei extrem niedrigen Temperaturen bleibt", sagte Smallenburg. "Die Partikel werden einfach nie in einen Kristall bestellen, es sei denn, sie zu hoher Dichte komprimiert werden." "

Energie und Entropie

Moleküle mit flexiblen Anleihen dieses Verhalten aufgrund von zwei konkurrierenden Kräfte in eine Kühlflüssigkeit: Energie und Entropie ist ein Maß dafür wie ungeordnete ein System ist. In Flüssigkeiten hüpfen die Moleküle alle zufällig, während in einem Kristall, die, den Sie in regelmäßigen Muster angeordnet sind, also Flüssigkeiten mehr Entropie als kristalline Feststoffe haben. [Video – geheimnisvolle Materialien wirken wie Flüssigkeiten und Feststoffe]

Wie eine Flüssigkeit abkühlt, bewegen die Moleküle sich immer weniger. Sie haben weniger Energie, so dass sie versuchen, sich auf Art und Weise anordnen, die einfacher (nehmen Sie weniger Energie) sind. Moleküle wie Wasser werden in einem bestimmten Winkel zueinander binden, weil es weniger Energie zu tun braucht; das Band, das die bekannten sechseckigen Kristall Muster macht ist einen niedrigeren Energiezustand. Zur gleichen Zeit, den Betrag der Entropie-Störung – tatsächlich verringert sich, wenn Wasser gefriert.

Kolloidales Moleküle mit flexiblen Anleihen haben mehr Möglichkeiten zur Kontaktaufnahme mit ihren Artgenossen in einer Flüssigkeit. "Wenn die Bande flexibel genug sind, die Anzahl der Möglichkeiten Sie verbinden alle Partikel zu vier Nachbarn und Form, die eine ungeordnete Struktur viel größer als die Anzahl ist der Verklebung von Mustern, die in einem Kristall ergeben," sagte Smallenburg.

Das Ergebnis: eine Flüssigkeit, die irgendwie wirkt wie eine solide.

Die Computersimulation einige reale Systeme beschreiben, sagte er. Es gibt Polymere und großen organischen Molekülen wie DNA, die ähnliche Merkmale aufweisen. Auch Wasser und Kieselsäure können simuliert werden.

Die nächsten Schritte werden das Experimentieren mit echten Materialien, Polymere zu studieren. Smallenburg stellte fest, dass seine Gruppe zusammen mit einem französischen Team forschen Polymere, die wie Kieselsäure Verhalten, wenn sie erhitzt werden. Mit etwas Arbeit konnte die neue Simulation auf den vorliegenden Fall als auch angewendet werden, sagte Smallenburg.

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